[发明专利]一种生物基聚氨酯上浆剂及其制备方法

说明书

本发明提供一种生物基聚氨酯上浆剂及其制备方法，属于上浆剂技术领域。该上浆剂按照重量份数计，包括：自催化生物基聚氨酯1‑5份，中和剂0.5‑10份，去离子水90‑98.5份；所述的自催化生物基聚氨酯的结构式如式1所示。本发明还提供一种生物基聚氨酯上浆剂的制备方法。该上浆剂不仅避免了使用合成聚氨酯过程中的有毒催化剂，还能够有效提高碳纤维尼龙6基体树脂复合材料的界面结合能力。

技术领域

本发明属于上浆剂技术领域，具体涉及一种生物基聚氨酯上浆剂及其制备方法。

背景技术

碳纤维作为增强聚合物基复合材料的理想材料，拥有一系列优异的性能。碳纤维强度高于钢铁，但质量比金属铝轻，具有高硬度、高耐化学性、高强度、重量轻、耐高温等特性。且碳纤维既具有碳材料的固有本征特性，又同时需要具备中国纺织纤维的柔软性，作为新一代增强纤维，广泛应用于航空航天、军事、土木建筑工程技术与其他竞技体育教育运动制品行业领域，是典型的高科技领域中的新型工业材料。

碳纤维在应用过程中也存在着一些缺点，例如碳纤维表面呈现化学惰性且光滑，导致碳纤维复合材料的界面结合性能通常较差，从而降低了复合材料的整体性能，使其力学性能与理论值相差较大。因此，为了减少对复合材料性能的影响，通常采用对碳纤维进行表面改性的方式来改善纤维与树脂基体的界面粘结强度。碳纤维表面改性方法多样，包括电化学改性，上浆处理，氧化处理，高能辐射处理等。在各类处理方法中，上浆法不仅能避免碳纤维表面受到污染，保护表面基团的活性，提高纤维集束性，还能浸润碳纤维，减小碳纤维与基体树脂间的表面张力，增强碳纤维与基体树脂间的界面粘结程度，提髙层间剪切强度。

生物基聚合物因其原料来源无污染，成本低廉而受到广泛关注。根据相似相容原理，由于生物基聚氨酯与尼龙基体结构相似，因此生物基聚氨酯与尼龙之间有着良好的相容性，并且在碳纤维表面上浆聚氨酯后能够在碳纤维和尼龙之间形成良好的界面层，有效提高碳纤维/尼龙复合材料的力学性能。传统的聚氨酯合成过程中通常使用石油基的原料以及需要用到有毒的催化剂来促进反应发生，并且在最终的产品中无法将催化剂除去，从而影响了产品的最终性能，因此，开发适用于尼龙6树脂的自催化、生物基的水性热塑性上浆剂对碳纤维行业的发展具有重要意义。同时，水性上浆剂处理后的碳纤维在水中具有良好的分散性，可用于多种领域，如：炭纸、耐摩擦材料、体育器材的制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物基聚氨酯上浆剂及其制备方法，该上浆剂不仅可以有效提高碳纤维尼龙6基体树脂复合材料的界面结合能力，还避免了剧毒催化剂的使用。

本发明首先提供一种生物基聚氨酯上浆剂，按照重量份数计，包括：

自催化生物基聚氨酯1-5份，中和剂0.5-10份，去离子水90-98.5份；

所述的自催化生物基聚氨酯的结构式如式1所示：

式1

式1中，R₂为

R₁为

优选的是，所述的中和剂为三乙胺。

本发明还提供一种生物基聚氨酯上浆剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：具有自催化功能的二醇的制备

取有机酸的酸酐和聚四氢呋喃放于三颈烧瓶中，升温至80℃-100℃，在氮气保护下反应4-5小时，得到具有自催化功能的二醇；

步骤二：生物基聚氨酯的制备

取具有自催化功能的二元醇、二异氰酸酯溶于溶剂，通氮气，在80℃-90℃条件下反应2-4小时，得到聚氨酯预聚体，然后加入生物基原料作为扩链剂，反应1-3小时后加入三羟甲基丙烷，冷却到40℃后加入三(羟甲基)氨基甲烷继续反应0.5-1小时后旋转蒸发除去溶剂，干燥，得到生物基聚氨酯；